焊接热影响区的腐蚀疲劳性能

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1990.02.033 第12卷第3期 北京科技大学学报 Vo1.12No,2 1990年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing March 1990 焊接热影响区的腐蚀疲劳性能 李青 杨德钧朱日彰张文奇· 搞摘要：利用焊接热校拟技术，在波劳试样上模拟出与实际操接热影响区不同组织区相 近的组织，并用这些试样进行了疲苏寿命和披劳裂纹扩展实验，通过了解焊接热影响区不 同组织区的腐蚀疲劳性能，研究了焊接过程对CF-60钢腐蚀疲劳性能的影响。结果发现： 如接过程降低了CF-60钢的耐腐独疲劳性。其原因在于，焊接热影响区中的不完金重结品 区的腐蚀疲劳性能低于母材和其它组织区的玻劳性能。不完全蚕钻品区的耐蚀性最差是其 腐蚀疲劳性能下降的主要原因之一。 关键词：腐蚀，城步，燥接，CF-60钢 Corrosion Fatigue of Welding Heating-Affected Zone Li Qing Yang Dejun Zhu Rizhang Zhang Wengi' ABSTRACT:In this paper,the structures similar to those of different zones in the Heat-Affected Zone (HAZ)of actural welding were obtained in the fatigue specimens with the thermal-simulated technique;the experiments on fatigue life and crack propagation were carried out with the specimens.Through the corro- sion fatigue behavior of the different zones in HAZ investigated,the effect of welding process on the corrosion fatigue properties of CF-60 steel was studied. It was found that welding could reduce the corrosion fatigue properties of CF- 60 steel because the fatigue properties of the Imcomplete Recrystal Zone (IRZ) in HAZ were worse than those of matrix and the other zones.One of the main reasons that resulted in the case was that the anti-corrosin of IRZ was worst in the welded joint region. KEY WORDS:corrosion,fatigue,welding,CF-60 steel 有关结构钢焊件在海水中的腐蚀疲劳行为，人们做过不少研究1-4，并发现焊件的腐 蚀疲劳强度比母材低，焊接热影响区处的疲劳裂纹扩展速度比母材高。但这些研究没有报道 1989-04-12收稿 ·表面科学与蚀T程系(Dep.of Surface Sci,and Corro,Eng.) 177

七‘ 第 卷第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 焊接热影响区 的腐蚀疲劳性能 李 青 杨德钧 朱 日彰 张文奇 ，叭、 摘 要 利 用焊 接热 模 拟技术 ， 在疲 劳试样上模 拟 出与实际 焊 接热 影响区不 同组 织 区 相 近 的组 织 ， 并 用 这 些 试 样进 行 了疲 芬寿 命和疲 劳 裂 纹扩 展 实验 。 通 过 了解焊 接热影 响 区不 同组 织区 的腐蚀疲劳性能 ， 研 究 了炸 接 过 程对 一 钢 腐蚀 疲 劳性能 的影响 。 结果发现 炸 接过 程 降低 了 一 钢 的耐腐蚀 疲劳性 。 其原 因在子 ， 焊 接热影响 区中的不完全重结晶 区 的腐蚀 疲劳性能 低 于 母 材和 其它组 织 区 的疲劳性能 。 不 完 全 重 结 易区的耐 蚀性最差 是共 腐蚀疲劳性能下降的 主要原因之 一 。 关键词 腐 蚀 ， 疵 芬 ， 焊 接 ， 一 。 钢 一 ，夕 犷 刀 入 刀 之 夕 人 夕 研 口 ’ ， 扭 一 一 一 又 一 卜 卜 ， ， 卜 一 。 ， 肠、 手 厂 一 。 习 一 从 · ， ， ， ， 一 有关结构钢焊件在海水 中的 腐蚀疲劳行为 ， 人 们 做过不少研究 〔 ’ 一 ‘ 〕 ， 并发现 焊 件 的 腐 蚀疲劳强度比母材低 ， 焊接热影响区处的疲劳裂纹扩 展 速度 比母材高 。 但这些研究没 有报 道 勺 一 一 收稿 表面科 学 与腐蚀 下程 系 · DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1990．02．033

断裂具体位于热影响区哪个部位以及预裂纹的具体位置。 作者曾对CF-60钢的焊缝进行过剖析：5)，发现CF-60钢焊接热彩响区大致可分成3个 组织特征较为明显的区城，即：过热区一贝氏体区、完全重结晶区一铁素体和珠光体细晶 区、不完全重结晶区一铁素体和珠光体粗晶区。由观察的结果可以知道，过去人们在实际焊 件上所测的有关疲劳性能方面的结果，实际上是热影响区各组织区的综合结果。焊接接头处 对腐蚀疲劳性能危害最大的区域位于何处，以前的工作仍没有解决。 本文通过了解焊接热影响区不同组织区的腐蚀疲劳性能，研究焊接过程对CF-60钢腐蚀 疲劳性能的影响。研究中采用热模拟技术。模拟焊接热影响区不同组织区焊接时的热循环过 程，在疲劳试样上得到与焊接热影响区不同组织区相近的组织。在同样的力学条件和环境条 件下，做疲劳寿命和裂纹扩展实验，得到不同组织区的疲劳数据，寻找CF-60钢焊接热影响 区中对腐使疲劳性能危害最大的组织。 1实验方法 1.1疲劳寿命 (1)材料和试样试样采用的材料为CF-60钢，成分为(wt%):C-0.065;Si-0.25,Mn- 1.35,P-0.14:S-0.006,Cr-0.39,Mo-0.27;V-0.042。其原始状态为调质状态。热处理工 艺为：940±10°C保温2.5min/mm+水淬+630±10°C保温3.5min/mm回火。材料力学性能 为：0，-540N/mm2,0b-630N/mm2,6.-26%,种-79%，杨氏模量E=2.28×102kN/mm2。 实验采用往复平面弯曲疲劳。热模拟实验机为Gleeble IJ00。热模拟参数见表1。 表1热模拟参数1】 Table 1 Thermal simulated parameters(10) 区参 数 加热过程 停留过程 冷却过程 温度，·C 一 0-130013001300~12001200-800800-500500-200 过热区 时间，s 3.25 0.5 3 8 20 森金银 祖度，C0~100100~800800~100010001000~800800~500500~200 时间，s 2 1.5 3 8 20 酷優 祖度，C 0-100100-800 800 800-500 500-200 时间，5 10 的 法：表中参数是根据实际堆焊焊接热过程确定的，热模拟组织与实际组织的形貌、尺寸、硬度值基本相近。 实际焊接疲劳试样的制备是用母材制成200mm×100mm×20mm的板样，并沿与轧向垂 直方向开30°的斜坡，然后将两块同样的板对焊，其工艺见表2。 178

断裂具体位于热影响区哪个部位以及 预裂纹 的具体位置 。 作者曾对 一 钢的焊缝 进行过剖 析 〔 ” ’ ， 发 现 一 钢焊接 热影响 区大致可 分成 个 组 织 特征较为 明显 的区域 ， 即 过 热 区一 贝氏 体区 、 完 全 重 结 晶区一铁素 体和 珠光体细 晶 区 、 不完全重结 晶区一铁素体和 珠光体粗晶区 。 由观 察的结果可以知道 ， 过去人 们在实际焊 件上所侧的有关疲劳性能 方面的结 果 ， 实际上是 热影响区各组 织 区的综 合结 果 。 焊接接头处 对 腐蚀疲 劳性能 危害最大 的区域位于 何处 ， 以前 的工作仍没 有解决 。 本文 通 过 了解焊接 热影响区不 同组 织 区的腐蚀疲 劳性能 ， 研究焊接过 程 对 一 钢腐蚀 疲 劳性能的影响 。 研究 中采用热模拟技术 。 模拟焊接 热影响区不同组 织 区焊接时的 热循环过 程 ， 在疲 劳试样上 得到 与焊接热影响 区不同组 织 区相近的组织 。 在同样的力 学条件和环 境条 件下 ， 做疲 劳寿命和裂纹 扩展实验 ， 得到 不 同组 织 区 的疲 劳数据 ， 寻 找 一 钢焊接热影响 区中对 腐蚀疲劳性能危 害最大的组 织 。 实 验 方 法 盛劳寿命 材料和试样 试 样采用的材料为 一 钢 ， 成 分为 一 。 一 。 ， 一 一 一 一 一 。 其原始状态为调 质状 态 。 热处理工 艺为 士 保温 水淬 士 保温 回火 。 材料力学性能 为 一 ， 一 “ 一 护 一 杨 氏模 量 。 实验 采 用往 复平 面弯曲疲 劳 。 热 模拟 实验 机为 。 热 模拟 参 数见表 。 裹 热棋拟今橄 〔 ‘ 。 ’ 乙 城 参 数 加 热 过 程 停 留过 程 冷 却 过 程 沮 度 ， “ 一 时 间 ， ， 一 一 过热区 完全 重 结 晶 区 沮 度 ， “ 时间 ， 一 不完全 结 晶 重 区 温 度 ， 。 时 间 ， 注 表 中参 教是 根 据 实际 堆焊 焊 接热过程 确定 的 ， 热 模 拟组 织与 实际 组 织 的形 貌 、 尺 寸 、 硬 度 值落本 相 近 。 实际焊接疲 劳试 样的制备是 用 母材 制成 。 。 。加 的板样 ， 并 沿 与轧 向垂 直 方向开 的斜坡 ， 然后 将两块同择的板对焊 ， 其工艺见表 。 ‘

表2对焊工艺规范 Table 2 Welding technology 电流1 电压U 焊速V cm/min kJ/cm2 1 135 26 13 14.04 240 33 20 23.76 240 34 20 24.48 240 34 20 24.48 240 34 20 24.48 240 34 20 24.48 (2)实验装置 实验所用装置为月制的往复式弯曲疲劳试验机（图1）。 9 10 13 17 16 图1试验机示意图 1.底座；2。轴承架，3.轴承：4。螺母：5。往复轴6。万向连轴器：7，中间轴： 8。螺母，9。上夹头10，主动往复轴：11.连杆：12。轴承，13。偏心查，14，偏心轴： 15,轴承架影16。液槽，17.下夹头：18。试件 Fig.1 Scheme of the experimental device 试验机工作原理：电机经蜗轮蜗杆诚速器减速后，带动主轴转动。通过主轴两端的偏心 轴带动连杆运动，使主动往复轴做往复运动。这样使试样往复摆动，摆动振幅的大小可转动 偏心套13和偏心轴14进行调整。波形为正弦波，实验频率0.5Hz。 (3)外加阳极电流时的疲劳寿命实验 在试样细脖位置附近用绝缘胶带和703胶封出一段长为20mm的区域。以JH-2C恒电位仪 做恒流源，恒定循环应力振幅，在外加不同阳极电流下做腐蚀疲劳寿命实验。 1.2疲劳裂纹扩展实验 (1)试样材料仍为CF-60钢，采用紧凑拉伸试样。按表1所给参数，沿试样缺口，模 拟所需研究的组织区域。 (2)实验设备实验所用设备为自制的液压传动拉压式疲劳机。其工作原理：通过电磁 阀控制液压油路的通断，达到加载和卸载的目的。波形基本呈方波，频率为0.5Hz。用30倍 179

表 对 焊 工 艺 规 范 卜 道 数 次 电 流 电压 焊速 ’ 。 。 。 。 。 。 呀 ‘ 目‘ 泊‘ ‘ 勺曰 实验装置 实验所用装置为 自制 的往 复式弯曲疲 劳试 验 机 图 。 川 卜 一」 州一 。 一 、举 厂 ’ “ 雀 、 杯 、 、 川 、 、 ，尸 上 一 刊三 一 ， 、 目匕节车 人 三 、 」一土 俘 舀 声 巴竺二竺， 。 底座， 。 轴承架 ， 。 螺母 ， 。 上夹头 轴承架， 浓槽， 图 试验机 示意 图 轴承 刁 。 螺 母 ， 。 往复轴 。 万 向连轴 器 ， 中间轴 ， 主动 往复轴 连杆， 轴承， 偏 心 套 ， 。 偏 心 轴 下 夹头， 试件 亡 试验机工作原理 电机 经蜗轮蜗杆 减速器减速后 ， 带动主轴转动 。 通过主轴两端 的偏心 轴带动连杆 运动 ， 使主动往 复轴做往复运动 。 这 样使试样往复摆动 ， 摆动振幅的大小可转动 偏心 套 和偏心 轴 进行调整 。 波形为正 弦 波 ， 实验频率 。 外加 阳极电流 时的疲劳寿命 实验 在试 样细 脖位置附近用绝缘胶带和 胶封 出一段长 为 的区域 。 以 一 恒 电位仪 做 恒流 源 ， 恒定循环应力振幅 ， 在外加 不同 阳极 电流下做 腐蚀疲劳寿命实验 。 疲 劳 裂纹 扩 展 实验 试样 材料仍为 一 钢 ， 采用 紧凑拉伸试 样 。 按表 所给参数 ， 沿试样 缺 口 ， 模 拟所需研究的组织 区域 。 实验设备 实验所用 设备为 自制 的液压传动拉压式疲 劳机 。 其工作原理 通过电磁 阀控制液压 油路的通断 ， 达到加 载和卸载 的 目的 。 波形 基 本呈 方波 ， 频率为 “ 旦 用 倍 导

读数显微镜观察裂纹，并读取裂纹长度，读数精度为0,01mm。所有实验使用的介质为3.56 NaCI水溶液。 0\ ●4下 0、 oSaltwater a、 20 345610 Cycle,N 图2CF-60钢疲劳寿命曲线（应力：×10Ncm2) Fig.2 The lifccurve of CP-60 stecl (stress:x I0N.cm-2) 2实验结果与讨论 CF-60钢在空气及盐水介质中疲劳寿命曲线见图2。由图看出，CF-60钢在空气中的疲 劳极限约为0-1=320N/mm2,与日本同类型钢SM50A的疲劳极限相当。在盐水介质中， CF-60钢的疲劳寿命大大降低，与SM50A相比较，腐蚀疲劳强度相近。 CF-60钢焊件及热影响区中的不完全重结晶区和过热区的腐蚀疲劳寿命曲线见图3。比 较图中各曲线可看出，CF-60钢焊接热影响区中，不同组织区在3.5%NC1水溶液中的疲芳 10 6 8 60 ◆SPZ o Matrix 4 40 e Kelding / 00 色 2 30 10 20 9 6 5 105 10 4 ◆Matrix in air Cyele N 3 o Matrix in salt water o'o 。1 RZ in salt water SPZ in salt water 2 阁3CF-60钢焊件及热影响民寿命曲线 40 506前80100140— (应力：×10N.cm2) △K Fig.3 The fatiguc life curve of HAZ 图4裂纹扩展曲线(AK:×10Nmm~3/2 and matrix (stress:x10N.cm-2) Fig.4 The propagation rates fatigue 180

读数显微镜观 察裂纹 ， 并读取 裂纹长度 ， 读数精度为。 。 所 有实验使用 的介质为 夕 水溶液 。 心 一 件、 、 咬 万卜、 ‘ 、 卜、 、 、 、 、 、 乳 、 价 、 石入沈 －一 、 、 之 已 、 台‘ － 、 、 ， ， ， 助动‘ 拐。‘ 舀 吕 ‘ 句 ， 石 图 一 。 钢疲劳寿 命曲线 应 力 一 丫 一 一 · 一 实验结果与讨论 一 钢在空气及盐 水介质中疲 劳寿命 曲线见 图 。 由图看出 ， 一 钢在空气 中的疲 劳极限约为 一 ， 与 日本同类型 钢 的 疲劳极限相 当 。 在盐水介质中 ， 一 钢 的疲劳寿命 大大降低 ， 与 相 比较 ， 腐蚀疲 劳强度相近 。 一 钢焊件及热影响区 中的不完全重 结 晶区和过热 区的腐蚀 疲劳寿命 曲线见 图 。 比 较图中各曲线可看 出 ， 一 钢焊接 热影响区 中 ， 不同组 织 区在 水溶液 中的疲劳 庄 内工﹄ ， 承 ’ 曳卜 乙 入 份 沈 、 ’ 料 … ‘ ‘ “ 又 入 灭 、 卜资入 、 弋 、 、 屯 那 、 扮 芯 才 。 篓 白 工日三。鸽。。 ‘ 活 的工明的 一 钢焊件及 热影响 区寿命 曲线 应 力 一 一 丁 么 泣 又 一 一 药了一 图 裂纹 扩展 曲线 △ 一 了

寿命是不相同的。不元全重结晶区的腐独疲芳养命与焊接件的寿命相同，比母材的寿命低： 过热区腐蚀疲劳寿命比母材略高。 CF-60钢在空气、盐水巾的疲劳裂纹扩展速度和应力强度往复变化量4K的关系见图4。 从图中可以看到，CF-60钢在盐水中的疲劳裂纹扩展速度比空气中的扩展速度有较大增加。 焊接热影响区不同组织区的裂纹扩展速度是不同的，不完全重结晶区的腐蚀疲劳裂纹扩展速 度高于母材。 从上面实验结果看，焊接热影响区中不同组织区的腐蚀疲劳性能是不相同的。焊接过程会 引起CF-60钢的腐蚀疲劳性能下降。引起下降的原因，在无焊接缺陷时（如：焊接裂纹，空 穴等)，是因为在焊接热影响区中存在不完金重结晶区，它的腐蚀疲劳性能低于母材和其它 组织区。因而不完全重结晶区的耐腐蚀疲劳性能就代表了焊件的耐腐蚀疲性能。 实际焊接试样与不完全重结品试样的腐蚀疲劳寿命曲线相同。实际焊接试样断口大多 数位于不完全重结品区的事实表明，不完全重结晶区是对CF-60钢焊件腐蚀疲芳性能危害最 大的区城。其原因是：第一是组织结构变化引起力性变化。由于焊接过程引入大量能量，使 焊接热影响区的组织、品粒大小、硬度值都与母材不同，其力学性能也不同。以硬度值为例 (N/cm2):过热区为2940，不完全重结晶区为2220。第二是不同组织区的耐蚀性不同，引起 疲劳性能的变化。作者(5]曾测量过CF-60钢焊接热影响区不同组织区域的腐蚀电位和自腐 蚀电流，结果表明，不完全重结晶区的腐蚀电位最低，腐蚀电流比其它区域略高。因此，该 区在焊接接头处，由于电偶腐蚀效应，为优先腐蚀区。 3结 论 (1)用焊接热模拟技术，可较好地模拟焊接热影响区的不同组织区，从而有可能分别研 究不同组织区的腐蚀疲劳性能。 (2)不完全重结晶区是CF-60钢焊件在3.5%NaC1水溶液中耐腐蚀疲劳性能最差的区 域，使该钢种腐蚀疲芳寿命下降。 参考文献 1 Masumoto I.J Japan Welding Soc.,1975;44(9):734 2 Van Leevwen JL,De Back J.Int Conf on Steel in Marine Structures, Technical Session 2,st.2.1,1981:1 3 Solli O.Proc of Offshore Steels Conf,Welding Institute,England,Nov. 1978:288 4 Scholte H G.Int Conf on Steel in Marine Structures,st5.2,1981:1-17 5季青，李容，杨德钧，硕士论文，1987：11，北京科技大学 181

寿命是 不相同 的 。 不完全重 结 晶区的 腐蚀疲 劳寿命 与焊接件的寿 命相同 ， 比母材的寿命低 过 热 区 腐蚀疲 劳寿命 比母材略 高 。 一 钢在空气 、 盐 水 中的疲劳裂纹 扩 展速 度和应力强 度往 复变化量 立 的关 系见 图 。 从 图中可以 看到 ， 一 钢 在盐水 中的疲 劳裂纹 扩 展速度 比 空气中的扩展速度有较大增加 。 焊接热影响区 不 同组织 区的 裂纹 扩 展速度是 不 同的 ， 不完全 重结 晶区的 腐蚀疲劳 裂纹扩 展速 度高于母材 。 从上面实验结果看 ， 焊接 热影响 区 中不 同组 织 区的腐蚀疲 劳性能是不相 同的 。 焊接过 程 会 引起 一 钢的腐蚀疲劳性能 下降 。 引 起 下降的原 因 ， 在无焊接 缺陷时 如 焊接 裂纹 ， 空 穴等 ， 是 因为在焊接 热影响 区 中存 在不完全 重结 晶区 ， 它 的 腐蚀 疲 劳性能低于 母材和其它 组织 区 。 因而 不完全重结 晶 区 的耐 腐蚀 疲 劳性能就 代 表了焊 件的 耐 腐蚀疲 劳性能 。 实际焊接 试样 与不完全重结 晶试样 的腐蚀疲劳寿命 曲线相 同 。 实际焊接试样 断 口 大 多 数位于不完全 重结 晶区 的 事 实表 明 ， 不完全重结 晶 区是对 一 钢焊 件 腐蚀疲劳性能 危 害最 大的 区域 。 其原 因是 第一 是组 织结 构变化引起 力性 变化 。 由于 焊接过程 引人 大 量能 量 ， 使 焊接热影响 区 的组 织 、 晶粒 大 小 、 硬 度值都 与母材不同 ， 其 力学性能也 不同 。 以硬 度值为例 厂 “ 过 热 区 为 。 ， 不 完全重结 晶区 为 。 第 二是 不 同组织 区 的耐 蚀性不 同 ， 引起 疲劳性能 的变化 。 作 者 〔 〕 曾测 量 过 一 钢焊接 热影响区 不同组 织 区域的腐蚀电位和 自腐 蚀电流 ， 结 果表明 ， 不完全 重结 晶区 的腐蚀电位最低 ， 腐蚀 电流 比其它 区域 略高 。 因此 ， 该 区在焊接接头 处 ， 由于 电偶 腐蚀效应 ， 为优 先腐蚀 区 。 结 论 用焊接热 模拟 技术 ， 可 较 好地 模拟焊接热 影响 区的 不同组 织 区 ， 从而有可 能分别研 究不同组织 区 的腐蚀疲劳性能 。 不 完全重结 晶区是 一 钢焊 件在 水溶 液 中耐 腐 蚀 疲 劳性能最差 的区 域 ， 使该钢种 腐蚀疲 劳寿命 下降 。 参 考 文 献 ， 班 夕 ， ， 。 ， ， 。 。 ， ， ， ， · · ， ， 一 李 青 ， 李容 ， 杨德 钧 ， 硕士论文 ， ， 北京科 技大学